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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff
durch stoffschlüssiges Fügen, indem zwischen den
Verbindungsflächen der Bauteile eine hochkieselsäurehaltige
Verbindungsmasse ausgebildet wird.
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Unter
einem hochkieselsäurehaltigen Werkstoff wird hier dotiertes
oder undotiertes Quarzglas mit einem SiO2-Gehalt
von mindestens 85% verstanden. Dieser Werkstoff wird im Folgenden
auch kurz als „Quarzglas" bezeichnet. Quarzglas zeichnet
sich durch einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
durch optische Transparenz über einen weiten Wellenlängenbereich
sowie durch hohe chemische und thermische Beständigkeit
aus.
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Bauteile
aus Quarzglas werden für eine Vielzahl von Anwendungen
eingesetzt, die beispielsweise in der Lampenfertigung als Hüllrohre,
Kolben, Abdeckplatten oder Reflektorträger für
Lampen und Strahler im ultravioletten, infraroten und sichtbaren Spektralbereich,
im chemischen Apparatebau oder in der Halbleiterfertigung in Form
von Reaktoren und Apparaturen aus Quarzglas für die Behandlung
von Halbleiterbauteilen, Trägerhorden, Glocken, Tiegeln, Schutzschilden
oder einfach Quarzglasbauteilen, wie Rohre, Stäbe, Platten,
Flansche, Ringe oder Blöcke.
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Zum
Erzeugen besonderer Eigenschaften wird Quarzglas mit anderen Substanzen
dotiert, wie etwa mit Titan, Aluminium, Bor oder Germanium.
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Es
stellt sich oft die Aufgabe, Quarzglaselemente miteinander zu verbinden,
etwa für die Fertigung von Quarz-Bauteilen mit komplexer
Form. In der Regel erfolgt diese Verbindung durch Verschweißen
der Bauteile miteinander. In der
EP 1 042 241 A1 ist beispielsweise ein Verfahren
zum stoßweise Verschweißen von Quarzglasrohren
beschrieben. Das Verschweißen beinhaltet ein Aufschmelzen
der miteinander zu verbindenden Flächen und ein Anpressen
der erweichten Flächen gegeneinander, so dass sich leicht
eine unerwünschte plastische Verformung im Bereich der
Schweißzone einstellt. Durch aufwendige Nachbearbeitung
können derartige Verformungen zwar wieder beseitigt werden,
wobei jedoch in der Regel Maßabweichungen bleiben.
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Für
die Herstellung von Präzisionsteilen, die aus mehreren
Quarzglasteilen zusammengesetzt sind, wurden auch Fügetechniken
vorgeschlagen, die Klebeverfahren unter Einsatz organischer Klebstoffmassen
beinhalten, die jedoch nur geringen Temperaturen Stand halten.
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Es
sind auch Fügeverfahren mittels Glasloten bekannt, wie
sie beispielsweise auch in
DD
289 513 A5 beschrieben sind. Zum formstabilen und vakuumdichten
Verbinden von Präzisionsbauteilen aus Quarzglas wird der
Einsatz eines Glaslotes auf Blei-Zink-Borat-Basis vorgeschlagen.
Aus dem Pulver des Glaslotes mit Teilchengrößen
zwischen 1 μm und 70 μm wird eine azetonlösliche
Paste hergestellt und diese auf einer Verbindungsfläche
aufgetragen. Die zu verbindenden Teile (Rohr und Platte) werden zueinander
fixiert und die Verbindungsflächen gegeneinander gepresst.
Dieser Verbund wird in einen Lötofen eingebracht und durchläuft
eine Temperaturbehandlung mit einer Maximaltemperatur von 450°C und
einer Dauer von 3,5 Stunden. Das Glaslot schmilzt dabei auf und
wandelt sich gleichzeitig in eine kristalline Phase mit höherer
Schmelztemperatur um. Die so hergestellte stoffschlüssige
Fügeverbindung zeichnet sich – bis zu einer Temperatur
von 500°C – durch eine geringe Vakuumleckrate
aus. Den besonders hohen Anforderungen an die Temperaturfestigkeit
und an die Temperaturwechselbeständigkeit, wie sie sich
bei vielen wärmetechnischen Anwendungen von Quarzglas stellen,
kann diese Fügeverbindung jedoch nicht genügen.
Darüber hinaus erfüllt die bekannte Fügeverbindung
auch Anforderungen an die Reinheit und Kontaminationsfreiheit, wie sie
beispielsweise bei Anwendungen in der Halbleiterfertigung, der Optik,
aber auch im Bereich der Chemie, Medizin, Forschung und Analysetechnik
bestehen, nicht.
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Es
ist weiterhin aus
DE
10 2004 054 392 A1 ein gattungsgemäßes
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem
Werkstoff bekannt, bei dem ein gießfähiger oder
pastöser Schlicker, der amorphe SiO
2-Teilchen
enthält, auf eine oder auf beide Verbindungsflächen
aufgetragen wird, die sofort anschließend zueinander oder
aufeinander fixiert werden. Danach erfolgt eine Trocknung der Verbindungsmasse,
die mehr oder weniger zwischen den beiden Verbindungsflächen
eingeschlossen ist. In einem Beispiel gemäß diesem
Stand der Technik werden zwei Platten miteinander in dieser Art
verbunden, wobei der SiO
2-haltige Schlicker
durch einen Sprühvorgang auf die Unterseite der oberen
Quarzglasplatte bzw. die Oberseite der unteren Quarzglasplatte aufgetragen
wird. Sofort danach wird die obere Platte auf die untere Platte
aufgelegt. Durch entsprechend langsames Trocknen wird eine rissfreie
getrocknete Schicht erhalten, die zum Verbinden dieser beiden relativ
kleinen Platten geeignet ist. Dieses Verfahren ist für
großflächige Verbindungen mit einem entsprechend
hohen Pressdruck allein schon durch das Eigengewicht der zu verbindenden
Quarzglasteile nicht mehr geeignet, bzw. würde lange und unwirtschaftliche
Trocknungszeiten erfordern, um das Dispersionsmittel der Verbindungsmasse
aus der Fügestelle defektfrei zu entfernen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
das eine kostengünstige Herstellung eines mechanisch und
thermisch stabilen Verbundes von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem
Werkstoff ermöglicht, insbesondere für großflächige
Fügeverbindungen, für die ein Anpressdruck beim
Fixieren der Verbindungsflächen größer
5 N/cm2 aufgebracht wird und/oder die maximale
Weglänge für eventuelle Ausgasprodukte aus der
Fügeverbindung mehr als 150 mm beträgt.
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Ausgehend
von dem vorgenannten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die SiO2-Verbindungsmasse entweder von
Anfang an in trockener Form eingesetzt wird oder zumindest die SiO2-Verbindungsmasse auf den Verbindungsflächen
vor dem Zusammenfügen getrocknet wird und daran anschließend
die zu verbindenden Flächen in Kontakt gebracht werden
und durch Erhitzen unter Bildung einer SiO2-haltigen
Verbindungsmasse ein fester Verbund entsteht.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren beruht die Verbindung
der Bauteile auf einer SiO2-haltigen Verbindungsmasse,
die bevor die Verbindungsflächen miteinander in Kontakt
gebracht werden, getrocknet werden muss oder bereits von Anfang
an in tro ckener Form vorliegt. Als Verbindungsmasse kann ein wässriger
SiO2-Schlicker eingesetzt werden, der amorphe
SiO2-Teilchen enthält. Der gießfähige
oder pastöse Schlicker wird auf einer oder auf beide Verbindungsflächen
aufgetragen. Zunächst bleiben die Verbindungsflächen
voneinander getrennt. Es erfolgt nun eine Trocknungsphase, die durch
das Austreiben des Dispersionsmittels, z. B. Wasser, aus der Verbindungsschicht
gekennzeichnet ist, wobei mit einer gewissen Schwindung zu rechnen
ist. Die Herausforderung besteht darin, dass es durch diesen Schwingungsprozess
nicht zum Reißen der Masse kommt, sondern eine homogene,
rissfreie Verbindungsmasse entsteht. Dadurch dass die Verbindungsflächen mit
der Verbindungsmasse ohne Druckbelastung durch die anzufügende
Bauteilfläche dem Trockenprozess ausgesetzt ist, stellt
sich kein Problem für das Entfernen von etwaigen Ausgasprodukten
während der Trocknung. Dies unterstützt die Homogenität
der Verbindungsmasse. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass im
Falle es wird von einem Schlicker ausgegangen, dieser amorphe SiO2-Teilchen enthält. Diese Teilchen
unterliegen Wechselwirkungen untereinander, welche bereits die Schlickermasse
im pastösen und trocknen Zustand stabilisieren und die
Sinteraktivität fördern, was ein Verfestigen der
getrockneten Schlickermasse bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen
unter Ausbildung einer dichten rissfreien, SiO2-haltigen
Verbindungsmasse ermöglicht. Um einen wirtschaftlichen
Gesamtprozess mit kurzer Trocknungszeit für großflächiges
Verbinden von Quarzglasteilen zu gewährleisten, erfolgt
das Trocknen mit offener Oberfläche der zu fügenden
Verbindungsteile. Auf diese Art kann das Schlickerdispersionsmittel
in sehr kurzer Zeit aus der aufgetragenen Schicht der Verbindungsmasse
ausgetrieben werden. Eine alternative Möglichkeit für
großflächige Fügeverbindungen von Quarzglasteilen
mit einer hochkieselsäurehaltigen Verbindungsmasse besteht
darin, dass die Verbindungsmasse nicht in gießfähiger oder
pastöser Form aufgetragen wird, sondern bereits in trockener
oder vorgetrockneter Form, beispielweise in Form einer Pulverschicht
aus amorphen SiO2-Partikeln, die auf die
Verbindungsflächen aufgetragen und gegebenenfalls angedrückt
werden. Darüber hinaus kann auch eine zuvor aus einem SiO2-Schlicker hergestellte und vorgetrocknete
Grünfolie als Verbindungsmasse auf die zu verbindenden Flächen
der Quarzglasbauteile aufgetragen bzw. konkret auflaminiert werden.
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Zum
Verfestigen und Verdichten der trockenen Verbindungsmasse auf den
zu verbindenden Quarzglasbauteilen werden diese miteinander in Kontakt
gebracht und dann auf eine Temperatur erhitzt, die zu einem Sintern
oder Schmelzen der amorphen SiO2- Teilchen
unter Ausbildung einer rissfreien SiO2-haltigen
Verbindungsmasse führt, die aus opakem, teils opakem oder
teils transparentem oder vollständig transparentem, hochkieselsäurehaltigem Glas
besteht.
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Beim
Sintern oder Verglasen der trockenen Verbindungsmasse gilt es, eine
Kristallisation in der SiO2-haltigen Verbindungsmasse,
welche zu einer Schwächung der Fügeverbindung
führen würde, zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls wichtig, dass für
die Bildung der Verbindungsmasse verwendeten SiO2-Teilchen
amorph sind. Sie bestehen aus synthetisch hergestelltem SiO2 oder sie sind auf Basis von gereinigtem
natürlich vorkommenden Rohstoff herstellt.
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Weiterhin
ist darauf zu achten, dass eine stabile SiO2-haltige
Verbindungsmasse erzeugt wird, die auch bei Temperaturwechseln eine
stabile und sichere Verbindung zwischen den großflächigen
Bauteilen gewährleistet. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk
auf dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der SiO2-haltigen
Verbindungsmasse und dessen Temperaturabhängigkeit im Vergleich
zu dem oder den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verbindenden
Bauteile.
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In
dem Zusammenhang spielt die in Bezug auf den hochkieselsäurehaltigen
Werkstoff „Arteigenheit" der SiO2-haltigen
Verbindungsmasse eine wichtige Rolle. Darunter verstehen wir, dass
sich der SiO2-Gehalt der Verbindungsmasse
jeweils von denjenigen, der zu verbindenden hochkieselsäurehaltigen
Bauteile um maximal 3 Gew.% unterscheidet. Durch die Verwendung
von „arteigenem Material" für die Ausbildung der
Verbindungsmasse wird zum einen eine möglichst weitgehende
Annährung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
dem Quarzglas der Bauteile und der Verbindungsmasse ermöglicht,
und damit einhergehend eine besonders gute Haftung der verfestigten
SiO2-haltigen Verbindungsmasse an den Verbindungsflächen
und andererseits auch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit
dieses Verbundes erreicht. Weiterhin werden Kontaminationen des
Quarzglases der miteinander verbundenen Bauteile oder deren Einsatzumgebung durch
Fremdstoffe aus dem arteigenen Material vermieden.
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Rauhigkeiten
und Unebenheiten der Verbindungsflächen wirken sich beim
erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwangsläufig
nachteilig aus. Im Gegenteil, durch eine gewis se Oberflächenrauhigkeit kann
die Haftung der trockenen SiO2-haltigen
Verbindungsmasse sogar verbessert werden.
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Zusammenfassend
muss festgestellt werden, dass dadurch das bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren
die zu verbindenden Quarzglasteile erst nachdem die Verbindungsmasse
getrocknet ist miteinander in Kontakt gebracht werden, ist das Verfahren
für großflächige Verbindungen, bei denen
ein Anpressdruck beim Fixieren der Verbindungsflächen größer
5 N/cm2 ist und/oder die maximale Weglänge
für eventuelle Ausgasprodukte aus der Fügeverbindung
mehr als 150 mm beträgt, geeignet. Die Trocknungszeiten
sind zudem kurz, so dass das Verfahren kostengünstig ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.
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In
einer ersten Verfahrensvariante wird eine Verbindungsmasse in Form
eines wässrigen SiO2-Schlickers
eingesetzt, der amorphe SiO2-Teilchen mit
mittleren Teilchengrößen von kleiner 5 μm, vorzugsweise
von kleiner 1 μm aufweisen.
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Amorphe
SiO2-Teilchen in diesem Größenbereich
und mit dieser Größenverteilung zeigen ein vorteilhaftes
Sinterverhalten und eine vergleichsweise geringe Schwindung beim
Trocknen. Die feinen Nanoteilchen wirken infolge der oben erläuterten Wechselwirkungen,
die bis zur Ausbildung molekulare SiO2-Verbindungen
führen können, ähnlich einem Bindemittel
und begünstigen das Sinter- und Verglasungsverhalten. Es
hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Verbindungsmasse eine
hohe Grunddichte der Verbindungsschicht erzeugt wird, die ohne Rissbildung
getrocknet und verfestigt werden kann.
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Vorzugsweise
beträgt der SiO2-Gehalt der amorphen
SiO2-Teilchen mindestens 99,9 Gew.%.
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Der
Feststoffanteil eines unter Einsatz derartiger Teilchen hergestellten
SiO2-Schlickers besteht zumindest 99,9 Gew.%
aus SiO2. Bindemittel oder dergleichen Zusatzstoffe
sind nicht vorgesehen. Insoweit handelt es sich für einen
Bauteilverbund aus undotiertem Quarzglas um ein arteigenes Ausgangsmaterial.
Eine Kontaminations- oder Kristallisationsgefahr geht von diesem
Ausgangsmaterial nicht aus.
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Vorteilhafterweise
beträgt der Feststoffgehalt des Schlickers beim Erzeugen
einer Schlickermasse auf den Verbindungsflächen mindestens
65 Gew.% vorzugsweise mindestens 80 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens
83 Gew.%. Durch diesen hohen Feststoffgehalt wird die Schwindung
beim Trocknen und beim Verfestigen verringert, so dass die Bildung von
Spannungen in der SiO2-haltigen Verbindungsmasse
vermindert wird und darüber hinaus die Formstabilität
und Maßhaltigkeit des Verbundes verbessert wird.
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Zum
Auftragen des Schlickers sind die an sich bekannten Verfahren geeignet,
wie beispielsweise Sprühen, elektrostatisch unterstütztes
Sprühen, Fluten, Schleudern, Aufstreichen oder Spachteln. Insbesondere
für eine großflächige und gleichmäßige
Belegung geeignete Auftragsverfahren sind Tauchen oder Sprühen
oder auch Siebdrucken. Das Auflaminieren einer Quarzglas-Grünfolie
ist ebenfalls eine mögliche Auftragstechnik im Sinne der
Erfindung.
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Außer
amorphen, dichten SiO2-Teilchen kann die
Verbindungsmasse auch anderes amorphes SiO2-Ausgangsmaterial
enthalten.
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So
hat es sich beispielsweise als günstig erwiesen, wenn mindestens
ein Teil der amorphen SiO2-Teilchen in Form
poröser Granulatteilchen, die aus Agglomeraten, nanoskaliger,
amorpher synthetisch erzeugter SiO2-Primärteilchen
mit einer mittleren Primärteilchengröße
von weniger als 100 nm gebildet sind, vorliegt.
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Derartige
Primärteilchen werden durch Flammenhydrolyse oder Oxidation
von Silizium-Verbindungen erhalten. Beim Granulieren bilden sich durch
Zusammenlagerung der feinteiligen SiO2-Primärteilchen
die gröberen Granulatteilchen aus. Dadurch setzt bereits
in der Verbindungsmasse eine das spätere Sintern und Verglasen
vergünstigende Verdichtung und Verfestigung ein, die auf
einer gewissen Löslichkeit und Beweglichkeit einzelner
Primärteilchen in der Verbindungsmasse beruht, die zur sogenannten „Halsbildung"
zwischen benachbarten amorphen SiO2-Teilchen
in der Verbindungsmasse beiträgt. Beim Trocknen der mit
SiO2 angereicherten Verbindungsmasse mit
einer Flüssigphase im Bereich der „Hälse"
verfestigen sich diese und führen zu einer festen Verbindung
zwischen den einzelnen amorphen SiO2-Teilchen
und zu einer Verdichtung und Verfestigung der Verbindungsmasse,
die das nachfolgende Sintern erleichtern. Die Porösität
der Granulate und die damit einhergehende hohe spezifische Oberfläche
bewirkt eine hohe Sinteraktivität.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der Verbindungsmasse
wird durch ein trocknes Pulver gebildet. Als Verbindungsmasse wird
dabei eine trockene Quarzglaskörnung oder/und ein Quarzglasgranulat
eingesetzt.
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Nanoskalige
SiO2-Pulver zeigen gute Fließeigenschaften,
so dass der gleichmäßige Auftrag auf einen ebene
Fläche eines Quarzglasbauteils durchaus gewährleistet
ist. Die bevorzugten mittleren Teilchengrößen
für diese trocken eingesetzten Quarzglaskörnungen
oder Quarzglasgranulate als Verbindungsmassen liegen im Bereich
von 10 μm und 40 μm.
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Anschließend
kann unter Wegfall einer Trocknungsperiode das anzufügende
Quarzglasbauteil aufgebracht werden. Diese Variante ist insbesondere
zu bevorzugen, wenn ein sehr großer Flächenverbund
mit einer relativ dicken Fügemasse erforderlich ist und
das Entfernen etwaiger Dispersionsmittel aus der Verbindungsmasse
zu lange dauert oder aus anderen Gründen unwirtschaftlich
ist.
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Es
kann darüber hinaus vorteilhaft sein, dass die Verbindungsmasse
eine zusätzliche Zwischenschicht umfasst, die durch Aufstreuen
von Quarzglaskörnung oder/und Quarzglasgranulat auf eine bereits
auf den Verbindungsflächen befindliche Verbindungsmasse
aufgetragen wird, die ein Dispergiermittel enthält. In
der Regel wird eine solche erste Verbindungsmasse mit Dispergiermittel
in Form einer siebdruckfähigen Paste eingesetzt, da mit
der Siebdrucktechnik, gleichmäßige, dünne,
großflächige Schichten kostengünstig
und reproduzierbar appliziert werden können. Es ist auch
denkbar die Reihenfolge umzukehren, also zunächst ein SiO2-Pulver auf die Fügefläche
aufzutragen und anschließend eine SiO2-Verbindungsmasse,
die ein Dispergiermittel enthält, aufzutragen. Das Dispergiermittel
muss während einer Trocknung, bevor die zu fügende
Teile in Kontakt kommen, entfernt werden. Hierbei kann die anschließend
(oder vorher) aufgetragene Pulverschicht erhöht den Füllgrad
den Füllgrad der Verbindungsmasse und die Trocknungszeit
insgesamt verkürzt sich.
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In
einer bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Verfestigen der
Verbindungsmasse ein Sintern unter Bildung einer mindestens teilweise
opaken Verbindungsmasse.
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Das
Sintern erfordert – im Vergleich zu Verglasen bis zu vollständigen
Transparenz – vergleichsweise niedrigen Sintertemperaturen
und/oder kurze Sinterzeiten. Dies begünstigt die Einhaltung der
Maßhaltigkeit des herzustellenden Bauteilverbundes, verringert
den Energiebedarf und vermeidet thermische Beeinträchtigungen
der zu verbindenden Bauteile und eine Kristallisation im Bereich
der Verbindungsmasse.
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Es
hat sich gezeigt, dass für die meisten Anwendungen bereits
durch Sintern (und nicht nur durch ein vollständiges Verglasen)
eine ausreichende mechanische Festigkeit der SiO2-haltigen
Verbindungsmasse erzeugt werden kann.
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Der
Verdichtungsgrad hängt von der Sintertemperatur und der
Sinterdauer ab. Je höher die Temperatur ist, umso kürzer
kann die Sinterdauer sein und umgekehrt. Eine übliche und
bevorzugte Temperaturbehandlung zum Sintern der Schlickermasse umfasst
ein Erhitzen bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800°C
und 1450°C bevorzugt bei einer Temperatur unterhalb von
1300°C.
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Im
einfachsten Fall wird das Sintern in einem Sinterofen durchgeführt,
in den die zu verbindenden Bauteile eingebracht werden. Das gleichmäßige
Erwärmen des gesamten Bauteilverbundes in einem Sinterofen
vermindert die Ausbildung von Spannungen und vermeidet Verformungen
des Verbundes. Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante umfasst
das Verfestigen der Verbindungsmasse ein Verglasen unter Bildung
einer mindestens teilweise transparenten, verfestigten SiO2-haltigen Verbindungsmasse.
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Ein
vollständiges Verglasen der SiO2-haltigen
Verbindungsmasse wird bevorzugt, wenn besonders hohe Anforderungen
an die Dichtheit, Festigkeit, Partikelfreiheit und ähnliche
Beständigkeit des Verbundes gestellt werden, wenn eine
optische Transparenz in dem Bereich technisch erforderlich ist oder aus
rein ästhetischen Gründen. Die SiO2-haltige
Verbindungsmasse ist in dem Fall porenfrei oder porenarm und sie
weist eine hohe Dichte auf, die etwa derjenigen der kieselsäurehaltigen
Bauteile entspricht.
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In
der Regel genügt aber ein Verglasen oberflächennaher
Bereiche der SiO2-haltigen Verbindungsmasse.
Sofern diese verglasten Bereiche die Verbindungsflächen
miteinander verbinden, tragen sie zu einer höheren mechanischen
Festigkeit und auch zur Dichtheit des Verbundes bei, auch wenn die SiO2-haltige Verbindungsmasse ansonsten porenhaltig
und opak ist.
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Das
Verglasen erfolgt bevorzugt unter Einsatz einer Heizquelle, deren
maximale Heizwirkung örtlich auf die Verbindungsmasse begrenzbar
ist.
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Die
Wirkung der zum Verglasen erforderlichen hohen Temperaturen kann
hierbei lokal auf die zu verglasende Verbindungsmasse begrenzt und plastische
Verformungen dadurch vermieden oder vermindert werden. Zu diesem
Zweck werden bevorzugt Brenner oder Infrator-Laser (z. B. SiO2-Laser) eingesetzt.
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Im
Fall eines vorangegangenen Sinterschrittes wird vorteilhafter Weise
die Restwärme genutzt und der noch heiße Bauteilverbund
verglast. Dies trägt zur Energieeinsparung bei und die
Ausbildung von Spannungen wird verhindert.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante zur Lösung
des oben genannten Problems hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der SiO2-haltigen Verbindungsmasse wird eine Masse eingesetzt, die
einen oder mehrere der folgenden Dotierstoffe enthält:
Al2O3, TiO2, Y2O3,
AlN, Si3N4, ZrO2, BN, HfO2, Si,
Yb2O3 und/oder SiC.
Durch Zugabe eines oder mehrerer der genannten Dotierstoffe ist
der thermische Ausdehnungskoeffizient der SiO2-haltigen
Verbindungsmasse an denjenigen oder diejenige der zu verbindenden
Bauteile anpassbar. Vorzugsweise erfolgt die Dotierung mit einem
Dotierstoff so, dass die Ausbildung einer kristallinen Phase in
der SiO2-haltigen Verbindungsmasse vermieden wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
einer Zeichnung erläutert.
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Im
Einzelnen zeigen in schematischer Darstellung:
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1:
das Fügen zweier Quarzglas-Platten nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren
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2:
den erhaltenen Bauteilverbund nach dem Verfahrensschritt gemäß 1
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Zur
Herstellung der Klebeverbindung gemäß den 1 und 2 wird
zunächst ein homogener, stabilisierter Grundschlicker hergestellt.
Für einen Ansatz von 10 kg Grundschlicker werden in einer
mit Quarzglas ausgekleideten Trommelmühle mit ca. 20 Liter
Volumeninhalt, 1,8 kg deionisiertes Wasser mit einer Leitfähigkeit
von weniger als 3 μS mit 8,2 kg einer amorphen Quarzglaskörnung,
hergestellt aus natürlichem Rohstoff, mit Korngrößen
im Bereich zwischen 250 μm und 650 μm und mit
einem SiO2-Gehalt von 99,99% vermischt.
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Diese
Mischung wird mittels Mahlkugeln aus Quarzglas auf einem Rollenbock
bei 23 U/min während einer Dauer von drei Tagen soweit
vermahlen, dass sich ein homogener, stabilisierter Grundschlicker
mit einem Feststoffgehalt von 82% ergibt. Im Verlauf des Vermahlens
kommt es infolge des in Lösung gehenden SiO2 zu
einer Absenkung des pH-Werts auf etwa 4.
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Die
nach dem Nassvermahlen der Quarzglaskörnung erhaltenen
amorphen SiO2-Teilchen im Grundschlicker
zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch
einen D50-Wert von etwa 5 μm und durch
einen D90-Wert von etwa 23 μm gekennzeichnet
ist.
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Dem
so erhaltenen homogenen Grundschlicker wird weitere amorphe SiO2-Körnung mit einer mittleren Korngröße
von etwa 5 μm zugemischt, bis ein Feststoffgehalt von 90
Gew.% erreicht ist. Die Mischung wird 12 Stunden lang in einer Trommelmühle bei
einer Drehzahl von 25 U/min. homogenisiert. Der so erhaltene Schlicker
hat einen Feststoffgehalt von 90% und eine Dichte von fast 2,0 g/cm3.
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Der
Grundschlicker wird in diesem Zustand zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Klebeverbindung eingesetzt, wie im Folgenden näher erläutert wird.
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2 zeigt
schematisch einen Verbundkörper 20, bestehend
aus einer unteren Quarzglas-Platte 22 und einer oberen
Quarzglas-Platte 21, die mittels einer 1 mm starken opaken
SiO2-haltigen Zwischenschicht 23 miteinander
verbunden sind. Die Platten sind jeweils 3 mm dick und quadratisch
mit einer Kantenlänge von 250 mm. Aus diesen Abmessungen
folgt unter der Voraussetzung, dass die Platten 21 und 22 jeweils
ein spezifisches Gewicht von 2,2 g/cm3 haben,
dass durch das Eigengewicht der Oberplatte 21 von 412,50
g ein Anpressdruck von 6,6 N/cm2 auf die
Unterplatte 22 mit den Verbindungsmassen 24 und 25 bzw.
der Zwischenschicht 23 wirkt. Würden in diesem
Fall die Verbindungsflächen sofort nach Auftragen des Schlickers
aufeinander gelegt, so wäre kein gleichmäßiges
Trocknen der Verbindungsmasse 23, 24 zu erzielen.
Die Ausgasprodukte aus der Mitte der quadratischen Platten 21, 22 müssten
eine Weglänge bis zum Plattenrand von zwischen 125 mm bis
zu 176 mm zurücklegen, was ein fehlerfreies Ausgasen nicht
erwarten lässt.
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Die
opake Zwischenschicht 23 dient beispielsweise als Transmissionsbarriere
für Wärmestrahlung. Häufig sind Quarzglasbauteile – beispielsweise
Flansche – für den Einsatz bei Hochtemperaturanwendungen
zur Blockierung von Wärmestrahlung vollständig
oder teilweise aus opakem Quarzglas gefertigt. Zur Reinigung werden
die Bauteile in der Regel mit flusssäurehaltigen Chemikalien
geätzt. Opakes Quarzglas zeigt jedoch eine geringe Ätzresistenz,
so dass die Lebensdauer derartiger opaker Quarzglasbauteile nach
verhältnismäßig wenigen Reinigungszyklen
beendet ist. Aus diesem Grund wird auf die opaken Flächenbereiche
der Bauteile transparentes Quarzglas aufgeschmolzen. Dabei handelt
es sich um einen Heißprozess, der leicht zu einem Verziehen
des Bauteils führt, so dass eine aufwändige Nachbearbeitung
notwendig ist.
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Der
schematisch in 2 dargestellte, erfindungsgemäße
Verbundkörper 20 bildet ein derartiges opakes,
beidseitig mit transparentem Quarzglas belegtes Bauteil. Er ist
dazu geeignet, die bisher aufwändig herzustellenden derartigen
Bauteile zu ersetzen, wobei die transparenten Schichten 21, 22 ohne Schwierigkeiten
in großer Dicke aufgebracht werden können.
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Zur
Herstellung des Verbundkörpers 20 werden die Platten 21, 22 zunächst
entfettet und gereinigt. Anschließend wird auf die Oberseite
der unteren Quarzglas-Platte 22 und auf die Unterseite
der oberen Quarzglas-Platte 21 der oben beschriebene Schlicker
in Form einer jeweils etwa ein bis 1,5 Millimeter dicken Schlickerschicht 24, 25 aufgetragen, die
die Funktion als Verbindungsmasse hat. Der Auftragsvorgang kann
durch Sprühen erfolgen. Es sind aber auch andere Auftragstechniken
wie Siebdrucken, Aufrakeln, Aufstreichen, Spachteln usw. als Alternativen
möglich. Wichtig ist, dass eine gleichmäßige
Belegung der zu verbindenden Flächen erreicht wird. Dies
ist schematisch in 1 dargestellt.
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Die
mit der Verbindungsmasse versehenen Bauteilflächen werden
zunächst eine Stunde an Luft getrocknet. Die vollständige
Trocknung erfolgt unter Einsatz eines IR-Strahlers an Luft. Die
getrocknete Verbindungsmasse 24, 25 bestehend
aus der Schlickerschicht ist rissfrei und sie hat eine maximale
Dicke von etwa 2,5 mm.
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Erst
wenn die Schicht vollständig getrocknet ist, wird der Verbundkörper 20 durch
in Kontakt bringen der beiden Platten 21 und 22 hergestellt
und in einem Sinterofen unter Luftatmosphäre gesintert. Durch
das Vortrocknen ist in der Verbindungsmasse kein ausgasungsfähiger
Stoff mehr enthalten, so dass das Sintern diesbezüglich
ohne Risiko erfolgt.
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Das
Heizprofil beim Sintern umfasst eine Heizrampe, während
der die getrocknete Verbindungsmasse von Raumtemperatur innerhalb
von einer Stunde auf eine Heiztemperatur von 1250°C erhitzt
wird. Auf diese Heiztemperatur wird der Verbundkörper 20 zwei
Stunden lang gehalten. Aus der Verbindungsmasse entsteht eine die
beiden Quarzglas-Platten 21, 22 fest verbindende,
gesinterte, jedoch noch opake Zwischenschicht 23, die in
Bezug auf die Quarzglas-Platte 21 und 22 aus arteigenem Material
besteht und eine mittlere spezifische Dichte um 2,10 g/cm3 aufweist. Der so hergestellte Verbundkörper 20 wird
im Sinterofen langsam abgekühlt, wobei eine erste Abkühlrampe
bei 5°C pro Minute liegt und bei einer Ofentemperatur von
1050°C liegt. Die zweite Abkühlrampe liegt bei
10°C pro Minute und endet bei einer Ofentemperatur von
950°C. Danach erfolgt das weitere Abkühlen ungeregelt
bei geschlossenem Ofen. Durch das relativ langsame Abkühlen
wird der Bauteilverbund getempert, so dass vorhandene mechanische
Spannungen abgebaut und die Ausbildung von Spannungen durch das
Abkühlen vermieden wird.
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Der
so hergestellte plattenförmige Verbundkörper 20 mit
einer Stärke von etwa 8 mm ist opak. Er besteht aus drei
Schichten 21, 22 und 23, wovon die mittlere
Schicht 23 mit einer Dicke von etwa 2 mm die Opazität
bewirkt und beiderseits von 3 mm dicken Schichten 21 und 22 aus
dichtem, transparentem Quarzglas belegt ist, das sich durch einen
hohe Ätzbeständigkeit auszeichnet. Darüber
hinaus ist der Verbundkörper 20 thermisch stabil,
zeichnet sich durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus,
bei Einsatztemperaturen oberhalb von 1000°C.
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Das
oben beschriebene Verfahren ist auch zur Herstellung eines Verbundkörpers
geeignet, der vollständig aus transparentem Quarzglas besteht. Hierzu
ist es lediglich erforderlich, die Zwischenschicht 23 vollständig
zu verglasen, anstatt nur zu sintern. Hierzu wird der Verbundkörper
nach dem Trocknen der Verbindungsmasse in einem Verglasungsofen
verglast. Das Heizprofil beim Verglasen umfasst eine Heizrampe,
während der die Verbindungsmasse in Form der Schlickerschicht
von Raumtemperatur innerhalb von zwei Stunden auf eine Heiztemperatur
von 1350°C erhitzt wird. Auf die ser Heiztemperatur wird
der Verbundkörper zwei Stunden lang gehalten. Aus der Schlickerschicht
entsteht so eine zwei Quarzglas-Platten fest verbindende gesinterte
Zwischenschicht aus arteigenem Material mit einer mittleren spezifischen
Dichte um 2,2 g/cm3. Auf diese Art und Weise
lässt sich nicht nur die Dicke von Quarzglas-Platten vergrößern,
sondern es lassen sich auch Quarzglas-Blöcke aufbauen.
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Eine
alternative Fügetechnik im Sinne der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass als Verbindungsmasse kein Schlicker auf die
zu verbindenden Quarzglasbauteile aufgebracht wird, sondern eine
trockene körnige Quarzglasschicht. Diese Körnung
wird möglichst gleichmäßig auf einer
ebenen Fügefläche ausgebreitet, beispielsweise
unter Zuhilfenahme eines Rakels. Monomodale sphärische Quarzglaskörnungen
mit einem D50-Wert zwischen 5 und 40 μm
sind besonders gut geeignet. Aber auch Granulate, die aus nanoskaligen
SiO2-Pulvern aufgebaut sind, sind hierfür
gut einsetzbar. Dadurch dass die lose Körnung als Verbindungsmasse
für das Verbundbauteil kein Fixiermittel enthält,
wird nur die untere Quarzglasplatte 22 mit der Pulverschicht
belegt, wobei die Dicke dieser Verbindungsmasse im Bereich zwischen
0,5 mm und mehreren Millimetern liegt, je nachdem welche Gesamtgeometrie
des Bauteilverbundes erreicht werden soll. Besonders vorteilhaft
bei dieser Ausführungsform ist, dass auf einen Trocknungsschritt
gänzlich verzichtet werden kann und die obere Quarzglas-Platte 21 sofort
nach dem Pulverauftrag auf der Unterplatte auf diese aufgelegt werden
kann. Je nach eingesetztem Kornspektrum der Verbindungsmasse 23 als
Körnungsschicht wird das „Plattensandwich" bei
einer Sintertemperatur zwischen 1200°C und 1450°C
in einem Sinterofen gesintert. In vorliegendem Beispiel bestehen
die Platten 21 und 22 aus transparentem Quarzglas
und sind kreisrund mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Dicke
von je 2,5 mm. Durch das Eigengewicht der Oberplatte 21 von
etwa 388,80 g hat die Oberplatte einen Anpressdruck von 5,5 N/cm2 auf die Unterplatte 22 mit der
aufgesteuten Körnung als Verbindungsmasse 24.
Würden in diesem Fall eine Verbindungsmasse mit evaporierendem
Dispergiermittel eingesetzt und die Verbindungsflächen
sofort nach Auftragen dieser Masse aufeinander gelegt, so wäre kein
gleichmäßiges Trocknen der Verbindungsmasse 24 zu
erzielen. Die Ausgasprodukte aus der Mitte der kreisrunden Platten 21, 22 müssten
die Ausgasprodukte eine Weglänge bis zum Plattenrand von
150 mm zurücklegen, was ein fehlerfreies Ausgasen nicht erwarten
lassen würde.
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Als
Verbindungsmasse 24 wird eine SiO2-Pulverschicht
auf die Oberseite der Platte 22 aufgebracht, wobei durch
ein sanftes Vibrieren der Platte 22 die Körnungsschicht gleichmäßig
auf der Plattenoberfläche verteilt wird. Als Pulver wird
die Quarzglaskörnung Excelica® SE
15 Körnung der Firma Tokuyama Ltd. eingesetzt, die sphärische SiO2-Partikel mit einem mittleren Teilchengröße
von 15 μm aufweist. Das Sinterprogramm für diesen
Verbund hat eine Aufheizrate von 2,5°C/Minute von etwa Raumtemperatur
auf 1400°C. Die Haltezeit bei 1400°C beträgt
3 Stunden. In diesem Fall wird trotz relativ hoher Sintertemperatur
keine transparente Zwischenschicht erzeugt, da bei der losen Quarzglaskörnung
der Partikelabstand dennoch zu groß ist um ein porenfreies
Dichtsintern zu erreichen. Der so hergestellte plattenförmige
Verbundkörper 20 mit einer opaken Zwischenschicht 23 wird
im Sinterofen langsam abgekühlt, wobei eine erste Abkühlrampe bei
5°C pro Minute liegt und bei einer Ofentemperatur von 1050°C
liegt. Die zweite Abkühlrampe liegt bei 10°C pro
Minute und endet bei einer Ofentemperatur von 950°C. Danach
erfolgt das weitere Abkühlen ungeregelt bei geschlossenem
Ofen. Durch das relativ langsame Abkühlen wird der Bauteilverbund
getempert, so dass vorhandene mechanische Spannungen abgebaut und
die Ausbildung von Spannungen durch das Abkühlen vermieden
wird. Diese kreisrunden Platten mit opaker Zwischenschicht 23 werden
beispielsweise als Reflektorplatten in der Halbleiterindustrie eingesetzt
und zwar in Heißbereichen, die überdies eine porenfreie
Oberfläche verlangen.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
besteht aus einer Kombination der oben erläuterten Varianten
für die Herstellung eines Verbundkörpers 20.
Dabei wird zunächst als Verbindungsmasse eine sehr dünne
Schicht einer SiO2-Grundschlickers wie oben
beschrieben auf die Oberseite der Unterplatte 21 bzw. die
Unterseite der Oberplatte 22 aufgetragen. Die Schicht wird
mittels Siebdruck aufgetragen und hat eine Schichtdicke im Bereich
von etwa 30 μm bis 100 μm. Auf die noch feuchte
Siebdruckschicht wird eine trockene Quarzglaskörnung aufgestreut,
wodurch die einzelnen Partikel durch die mittels Siebdruck aufgebrachte
noch feuchte SiO2-Schicht fixiert werden.
Als Quarzglaskörnung kann das oben erwähnte SiO2-Pulver Excelica® SE
15 eingesetzt werden oder auch eine Kombination mehrerer Kornfraktionen ähnlicher
Pulverqualitäten wie zum Beispiel auch Excelica® SE 30, das eine mittlere Teilchengröße
von 30 μm aufweist. Anschließend werden die so
präparierten Platten 21 und 22 mit der
Verbindungsmasse 23, 24 getrocknet, wobei die
Trocknungsdauer hier kurz gehalten werden kann, da ja nur sehr wenig
Dispergiermittel aus der Siebdruckschicht entfernt werden muss.
Die Trocknungsdauer beträgt maximal etwa 30 Minuten und
wird in einem Trockenschrank an Luft bei etwa 120°C durchgeführt.
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Danach
werden die Platten aufeinandergelegt, wobei die Seiten der Platten
mit der Verbindungsmasse in Kontakt kommen und schließlich
mit einem Sinterprogramm wie oben beschrieben gesintert. Als Ergebnis
auch dieser Verfahrensvariante erhält man einen Verbundkörper 20,
der eine opake Zwischenschicht 23 aufweist und vorzugsweise
als Reflektorbauteil in der Halbleiterindustrie bei Heißprozessen
eingesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1042241
A1 [0005]
- - DD 289513 A5 [0007]
- - DE 102004054392 A1 [0008]